WO2020250846A1 - 光受信装置、局側装置、ｐｏｎシステム、前置増幅器、光受信方法、及び、積分器の出力反転抑制方法 - Google Patents

光受信装置、局側装置、ｐｏｎシステム、前置増幅器、光受信方法、及び、積分器の出力反転抑制方法 Download PDF

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Definitions

  • the present disclosure relates to an optical receiver, a station-side device, a PON system, a preamplifier, an optical receiver method, and an integrator output inversion suppression method.
  • This application claims priority based on Japanese Application No. 2019-110446 filed on June 13, 2019, and incorporates all the contents described in the Japanese application.
  • a burst-shaped optical signal received by a photodiode is output in the form of a differential signal via a preamplifier (TIA: Balancedance Amplifier) (see, for example, Patent Document 1). .).
  • TIA Balancedance Amplifier
  • the station-side device of the PON (Passive Optical Network) system is connected to a large number of terminal devices (home-side devices) via an optical fiber. Therefore, the distance from the terminal device to the station side device is not uniform, and there is a large difference in the intensity of the optical signal reaching the optical receiving device mounted on the station side device for each terminal device.
  • an adjustment circuit is provided to release (or pull out) a part of the current obtained by converting with a photodiode, and a function to release a part of the current when the optical signal intensity is high and to release it when the optical signal intensity is weak.
  • the stop can be realized by applying a negative offset voltage to the reference voltage so as to be lower than the output of the amplification stage.
  • the present disclosure is an optical receiver that receives a burst-shaped optical signal.
  • the light receiving element that receives the optical signal and
  • An amplifier that receives and amplifies a current based on the input current from the light receiving element, and
  • a DC adjustment circuit that is connected to the input circuit from the light receiving element to the amplifier and removes the offset current included in the input current.
  • An AC adjustment circuit that is connected to the input circuit and allows a part of the input current to flow.
  • a control unit that controls the DC adjustment circuit and the AC adjustment circuit based on the output and the reference voltage of the amplifier is provided.
  • the control unit An integrator that integrates the output of the amplifier and outputs it to two electric circuits of positive phase and negative phase, It includes an inversion suppression circuit that operates to inject a current into the positive phase and draw a current from the negative phase when the negative phase potential of the output of the integrator is higher than the positive phase potential.
  • the present disclosure is a station-side device connected to a plurality of terminal devices via an optical transmission line by an optical fiber.
  • a light receiving element that receives a burst-shaped optical signal from the terminal device, and
  • An amplifier that receives and amplifies a current based on the input current from the light receiving element, and
  • a DC adjustment circuit that is connected to the input circuit from the light receiving element to the amplifier and removes the offset current included in the input current.
  • An AC adjustment circuit that is connected to the input circuit and allows a part of the input current to flow.
  • a control unit that controls the DC adjustment circuit and the AC adjustment circuit based on the output and the reference voltage of the amplifier is provided.
  • the control unit An integrator that integrates the output of the amplifier and outputs it to two electric circuits of positive phase and negative phase, It includes an inversion suppression circuit that operates to inject a current into the positive phase and draw a current from the negative phase when the negative phase potential of the output of the integrator is higher than the positive phase potential.
  • the PON system of the present disclosure is With multiple terminals Optical transmission line by optical fiber and A PON system including a station-side device that communicates with the plurality of terminal devices via the optical transmission line.
  • a station-side device that communicates with the plurality of terminal devices via the optical transmission line.
  • the optical receiving device mounted on the station side device is A light receiving element that receives a burst-shaped optical signal from the terminal device, and An amplifier that receives and amplifies a current based on the input current from the light receiving element, and A DC adjustment circuit that is connected to the input circuit from the light receiving element to the amplifier and removes the offset current included in the input current.
  • An AC adjustment circuit that is connected to the input circuit and allows a part of the input current to flow.
  • a control unit that controls the DC adjustment circuit and the AC adjustment circuit based on the output and the reference voltage of the amplifier is provided.
  • the control unit An integrator that integrates the output of the amplifier and outputs it to two electric circuits of positive phase and negative phase, It includes an inversion suppression circuit that operates to inject a current into the positive phase and draw a current from the negative phase when the negative phase potential of the output of the integrator is higher than the positive phase potential.
  • the preamplifiers of the present disclosure are An amplifier that receives and amplifies a current based on the input current from a light receiving element that receives a burst-shaped optical signal.
  • a DC adjustment circuit that is connected to the input circuit from the light receiving element to the amplifier and removes the offset current included in the input current.
  • An AC adjustment circuit that is connected to the input circuit and allows a part of the input current to flow.
  • a control unit that controls the DC adjustment circuit and the AC adjustment circuit based on the output and the reference voltage of the amplifier is provided.
  • the control unit An integrator that integrates the output of the amplifier and outputs it to two electric circuits of positive phase and negative phase, It includes an inversion suppression circuit that operates to inject a current into the positive phase and draw a current from the negative phase when the negative phase potential of the output of the integrator is higher than the positive phase potential.
  • the present disclosure is an optical reception method for receiving a burst-shaped optical signal, in which the pre-amplification stage is performed. It receives a current based on the input current from the light receiving element that receives the optical signal, amplifies it with an amplifier, and then amplifies it. Based on the output and reference voltage of the amplifier, the offset current included in the input current is removed, and a part of the input current is released.
  • the output of the amplifier is integrated by an integrator and output to two electric circuits of positive phase and negative phase. When the negative phase potential of the output to the two electric circuits is higher than the positive phase potential, a current is injected into the positive phase. And draw the current from the opposite phase, This is an optical reception method.
  • the present disclosure is a method for suppressing output inversion of an integrator in a preamplifier for optical reception. Receives and amplifies the current based on the input current from the light receiving element that receives the burst-shaped optical signal. Based on the output and reference voltage obtained by amplification, the offset current included in the input current is removed, and a part of the input current is released. The output is integrated by the integrator and output to two electric circuits of positive phase and negative phase, and when the negative phase potential of the output to the two electric circuits is higher than the positive phase potential, a current is injected into the positive phase. And draw the current from the opposite phase, This is a method for suppressing output inversion of an integrator.
  • FIG. 1 is a connection diagram of a PON system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a circuit configuration of an optical receiver, in which the preamplifier portion is particularly centered.
  • FIG. 3 is a diagram showing an internal circuit of the inverting suppression circuit in FIG.
  • FIG. 4 is a graph showing an example of integrator output inversion at the time of open loop as a result of DC analysis (static characteristic analysis).
  • FIG. 5 is a graph showing an example of the delay of the transient response due to the inversion of the integrator output as a result of the transient analysis.
  • FIG. 6 is a graph showing an example of integrator output inversion at the time of open loop as a result of DC analysis (static characteristic analysis).
  • FIG. 7 is a graph showing an example of the result of the transient analysis.
  • FIG. 8 is an example of a graph showing what kind of frequency characteristics the amplification factor of the amplifier shows with respect to input currents of various sizes after the addition of the inverting
  • Embodiments of the present disclosure include at least the following as a gist thereof.
  • an optical receiving device that receives a burst-shaped optical signal, and receives and amplifies a light receiving element that receives the optical signal and a current based on an input current from the light receiving element.
  • a DC adjustment circuit connected to an input electric circuit from the light receiving element to the amplifier to remove an offset current included in the input current, and a DC adjusting circuit connected to the input electric circuit to allow a part of the input current to flow. It includes an AC adjustment circuit and a control unit that controls the DC adjustment circuit and the AC adjustment circuit based on the output and reference voltage of the amplifier.
  • the control unit integrates the output of the amplifier and has a positive phase. When the reverse phase potential of the output of the integrator and the output of the integrator is higher than the positive phase potential, the current is injected into the positive phase and the current is drawn from the reverse phase. Includes an inversion suppression circuit.
  • the inversion suppression circuit injects the current into the positive phase and draws the current from the negative phase. Can work. As a result, inversion of the output of the integrator is suppressed. Therefore, even when a voltage with a sufficient negative offset is applied, it is possible to suppress the inversion and expansion of the potential difference at the output of the integrator. In this way, inversion of the output of the integrator in the optical receiving device that receives the burst-shaped optical signal can be suppressed.
  • the current injected and the current drawn by the inverting suppression circuit are equal to each other. In this case, since the current to be injected and the current to be extracted are equal to each other, the common potential of the output of the integrator does not change.
  • the inversion suppression circuit converts a voltage based on the potential difference between the positive phase and the negative phase output by the integrator into a current and outputs the current.
  • a current mirror circuit that generates a current to be injected into the positive phase and a current to be drawn from the negative phase based on the output of the transconductance amplifier may be included.
  • the inverting suppression circuit does not inject or draw current.
  • the negative phase potential of the output of the integrator is higher than the positive phase potential, that is, when the potential inversion begins to occur, a current that suppresses it can be immediately generated by the current mirror circuit.
  • a voltage with a negative offset is added to the reference voltage.
  • the positive offset voltage will increase even a little.
  • the DC adjustment circuit may pull out the current, causing an increase in noise. Therefore, it is not a good idea to reduce the negative offset voltage, and it is preferable to give a sufficient negative offset voltage.
  • the inverting suppression circuit injects a current into the positive phase. Moreover, the operation of drawing the current from the opposite phase is not executed. When the positive phase potential is higher than the negative phase potential, the inverting suppression circuit does not operate in vain.
  • the station-side device is a station-side device connected to a plurality of terminal devices via an optical transmission line by an optical fiber, and is a light receiving element that receives a burst-shaped optical signal from the terminal device, and a light receiving element.
  • An amplifier that receives and amplifies a current based on an input current from an element, a DC adjustment circuit that is connected to an input electric circuit from the light receiving element to the amplifier and removes an offset current included in the input current, and the input electric circuit.
  • the control unit includes an AC adjustment circuit that is connected to and flows a part of the input current, and a control unit that controls the DC adjustment circuit and the AC adjustment circuit based on the output and the reference voltage of the amplifier.
  • the inverting suppression circuit that operates to draw a current from the opposite phase is included.
  • the inversion suppression circuit injects the current into the positive phase and draws the current from the negative phase. Can work. As a result, inversion of the output of the integrator is suppressed. Therefore, even when a voltage with a sufficient negative offset is applied, it is possible to suppress the inversion and expansion of the potential difference at the output of the integrator. In this way, inversion of the output of the integrator in the station-side device that receives the burst-shaped optical signal can be suppressed.
  • the PON system is a PON system including a plurality of terminal devices, an optical transmission line using an optical fiber, and a station-side device that communicates with the plurality of terminal devices via the optical transmission line.
  • the optical receiving device mounted on the station-side device has a light receiving element that receives a burst-shaped optical signal from the terminal device and an input current from the light receiving element.
  • An amplifier that receives and amplifies the based current, a DC adjustment circuit that is connected to the input circuit from the light receiving element to the amplifier and removes an offset current included in the input current, and a DC adjustment circuit that is connected to the input circuit and the input It includes an AC adjustment circuit through which a part of current flows, and a control unit that controls the DC adjustment circuit and the AC adjustment circuit based on the output and reference voltage of the amplifier.
  • the control unit is the output of the amplifier.
  • an integrator that integrates and outputs to two electric circuits of positive phase and negative phase, and when the negative phase potential of the output of the integrator is higher than the positive phase potential, a current is injected into the positive phase and the reverse phase Includes an inverting suppression circuit that operates to draw current from.
  • the inversion suppression circuit injects a current into the positive phase. Moreover, it can operate so as to draw a current from the opposite phase. As a result, inversion of the output of the integrator is suppressed. Therefore, even when a voltage with a sufficient negative offset is applied, it is possible to suppress the inversion and expansion of the potential difference at the output of the integrator. In this way, inversion of the output of the integrator in the optical receiving device that receives the burst-shaped optical signal can be suppressed.
  • the pre-amplifier includes an amplifier that receives and amplifies a current based on an input current from a light receiving element that receives a burst-shaped optical signal, and an input electric circuit that is connected to an input electric circuit from the light receiving element to the amplifier.
  • a DC adjustment circuit that removes the offset current included in the above, an AC adjustment circuit that is connected to the input electric circuit and allows a part of the input current to flow, and the DC adjustment circuit and the DC adjustment circuit based on the output and reference voltage of the amplifier.
  • a control unit that controls the AC adjustment circuit is provided, and the control unit integrates the output of the amplifier and outputs it to two currents of positive phase and negative phase, and the reverse phase of the output of the integrator. It includes an inversion suppression circuit that operates to inject a current into the positive phase and draw a current from the negative phase when the potential is higher than the positive phase potential.
  • the inverting suppression circuit injects the current into the positive phase and draws the current from the negative phase. Can work. As a result, inversion of the output of the integrator is suppressed. Therefore, even when a voltage with a sufficient negative offset is applied, it is possible to suppress the potential difference of the output of the integrator from inverting and expanding. In this way, inversion of the output of the integrator when receiving a burst-shaped optical signal can be suppressed.
  • the optical reception method is an optical reception method for receiving a burst-shaped optical signal, and in the pre-amplification stage, the amplifier receives a current based on an input current from the light receiving element that receives the optical signal. Amplify, and based on the output and reference voltage of the amplifier, the offset current included in the input current is removed, a part of the input current is released, and the output of the amplifier is integrated by an integrator to be positive.
  • the current is output to the two electric circuits of the phase and the opposite phase and the opposite phase potential of the output to the two electric circuits is higher than the positive phase potential, a current is injected into the positive phase and a current is drawn from the opposite phase. It is a receiving method.
  • the output inversion suppression method of the integrator is an output inversion suppression method of the integrator in the preamplifier for optical reception, and receives a current based on an input current from a light receiving element that receives a burst-shaped optical signal. Based on the output and reference voltage obtained by amplification and amplification, the offset current included in the input current is removed, a part of the input current is released, and the output is integrated by the integrator. , Output to two electric circuits of positive phase and negative phase, and when the negative phase potential of the output to the two electric circuits is higher than the positive phase potential, a current is injected into the positive phase and a current is drawn from the opposite phase. , It is a method of suppressing the output inversion of the integrator.
  • FIG. 1 is a connection diagram of a PON system 100 according to an embodiment.
  • the station side device (OLT: Optical Line Terminal) 1 is installed as an aggregation station for a plurality of terminal devices (ONU: Optical Network Unit) 2, 3 and 4 connected in a P2MP (Point to Multipoint) relationship. ing.
  • the terminal devices 2, 3 and 4 are installed in the subscriber's house of the PON system 100, respectively.
  • an optical fiber network branched from one optical fiber (main line) 5 connected to the station side device 1 into a plurality of optical fibers (branch lines) 7, 8 and 9 via an optical coupler 6 is configured.
  • main line main line
  • a line card 1a including an optical receiving device is mounted on the station side device 1.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the circuit configuration of the optical receiver 10, and is a diagram centering on a portion of the preamplifier 11 in particular.
  • the optical receiving device 10 is a device that receives a burst-shaped optical signal (hereinafter, simply referred to as a burst) sent from the terminal devices 2, 3 and 4, and is an avalanche photodiode 12 as a light receiving element and an amplifier. It includes 13, a DC adjustment circuit 14, an AC adjustment circuit 15, a control unit 16, a differential circuit 17, a detection circuit 18, and a reference potential generation circuit 19.
  • the outputs (Vout, Voutb) of the preamplifier 11 are sent to the subsequent circuit 21 via AC coupling by the capacitor 20.
  • the avalanche photodiode 12 to which a voltage VPD is applied to the cathode converts an optical signal into an electric current.
  • the amplifier 13 receives and amplifies a current based on the input current from the avalanche photodiode 12, and outputs a voltage Va.
  • the DC adjustment circuit 14 connected to the input electric circuit L from the avalanche photodiode 12 to the amplifier 13 is the current of MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effective-Transistor, hereinafter referred to as MOS transistors) M0 and M1. It has a mirror circuit.
  • MOSFETs Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effective-Transistor
  • the DC adjustment circuit 14 removes the offset current Iaoc from the input current Iin from the avalanche photodiode 12.
  • the AC adjustment circuit 15 connected to the input electric circuit L has a MOS transistor M3.
  • the AC adjustment circuit 15 has a function of allowing a part (current Iagc) of the current Iin coming from the avalanche photodiode 12 to flow (escape) and not send it to the amplifier 13. In this way, the current Iin is divided into a current Iaoc, a current Iag, and an input current to the amplifier 13.
  • the control unit 16 includes an integrator 161, an inverting suppression circuit 162, a transconductance amplifier (hereinafter referred to as OTA (Operational Transconductance Amplifier)) 163, a current control unit 164, and a MOS transistor M2.
  • OTA Operaational Transconductance Amplifier
  • a reference voltage including a negative offset voltage is given to the integrator 161, the differential circuit 17, and the MOS transistors M2 and M3 from the reference potential generation circuit 19. Due to the voltage of the negative offset, the AC adjustment circuit 15 and the DC adjustment circuit 14 operate for the strong input burst, but the AC adjustment circuit 15 and the DC adjustment circuit 14 do not operate for the weak input burst. can do.
  • the integrator 161 integrates the output of the amplifier 13 and outputs it to two electric circuits of positive phase P and negative phase N.
  • the output of the integrator 161 is given to the current control unit 164 via the OTA 163.
  • the OTA 163 has a circuit that changes the amplification factor according to the input.
  • the current control unit 164 sets the input current range for adjusting the amplification degree.
  • the detection circuit 18 has a function of detecting an output from the differential circuit 17 and switching the time constant of the integrator 161 in order to correspond to a strong input burst.
  • the current control unit 164 controls the current mirror circuits of the MOS transistors M2 and M3 and the current mirror circuits of the MOS transistors M0 and M1.
  • FIG. 3 is a diagram showing an internal circuit of the inverting suppression circuit 162 in FIG.
  • the inverting suppression circuit 162 includes an OTA 162A, PNP type MOS transistors M11, M12, and M13 constituting the current mirror circuit 162B, and NPN type MOS transistors M14, M15 forming another current mirror circuit 162C. It has.
  • a control power supply voltage Vcc is supplied to the source side of the MOS transistors M14 and M15.
  • the source side of the MOS transistors M11, M12, and M13 is connected to the GND.
  • the OTA 162A operates based on the positive phase potential Vp and the negative phase potential Vn input from the integrator 161. Specifically, when Vp ⁇ Vn, OTA162A does not operate.
  • the OTA 162A operates when the negative phase potential Vn is in an inverted state higher than the positive phase potential Vp and the inverted potential difference exceeds a predetermined reference value. The operation is to generate a positive output current proportional to the potential difference obtained by subtracting the reference value from the inverting potential difference.
  • the current Ip is injected into the positive phase P by the current mirror circuit 162B by the MOS transistors M11, M12, M13 and the current mirror circuit 162C by the MOS transistors M14, M15, and the current Ip is injected from the negative phase N.
  • the current In is pulled out.
  • the inversion suppression circuit 162 operates so as to inject a current into the positive phase P and draw a current from the negative phase N. As a result, inversion of the output of the integrator 161 is suppressed. Therefore, even when a voltage having a sufficient negative offset is applied to the reference voltage generated by the reference potential generation circuit 19, it is possible to suppress the potential difference of the output of the integrator 161 from inverting and expanding.
  • the same current In flows through the MOS transistors M11, M12, and M13 due to the operation of the current mirror circuit 162B by the MOS transistors M11, M12, and M13.
  • a current Ip equal to the current In flows through the MOS transistor M14, and the current Ip flows through the MOS transistor M15 by the operation of the current mirror circuit 162C by the MOS transistors M14 and M15. That is, the current Ip injected into the positive phase P and the current In drawn from the negative phase N by the inverting suppression circuit 162 are equal to each other.
  • the common potential of the output of the integrator 161 does not change.
  • the OTA 162A of the inversion suppression circuit 162 converts the voltage based on the potential difference between the positive phase and the negative phase output by the integrator 161 into a current and outputs it.
  • the current mirror circuits 162B and 162C generate a current to be injected into the positive phase and a current to be extracted from the negative phase based on the output of the OTA 162A.
  • the inversion suppression circuit 162 does not inject or draw the current. In other words, it does not operate in vain.
  • the current mirror circuits 162B and 162C can immediately generate a current that suppresses the reversal of the potential.
  • FIG. 4 is a graph showing an example of integrator output inversion at the time of open loop as a result of DC analysis (static characteristic analysis).
  • A shows a voltage (broken line) output by the amplifier 13 and a reference voltage (solid line) to which a negative offset voltage (40 mV) is added.
  • B shows the positive phase potential (solid line) and the negative phase potential (broken line) of the output of the integrator 161.
  • C shows the gate potential (broken line) of the MOS transistor M3 of the AC adjustment circuit 15 and the gate potential (solid line) of the MOS transistors M0 and M1 of the DC adjustment circuit 14.
  • D indicates the DC offset current to be removed.
  • the horizontal axis is a logarithmic scale of the input current (Iin) common to (a) to (d).
  • the voltage of the negative offset works and the DC adjustment circuit 14 and the AC adjustment circuit 15 do not function, and the input The AC and DC currents are not drawn from the current (hereinafter, the drawing of the current is referred to as "current drawing").
  • the drawing of the current is referred to as "current drawing"
  • the DC adjustment circuit 14 and the AC adjustment circuit 15 draw out the current.
  • the problem is that the positive-phase potential and the negative-phase potential of the output of the integrator 161 are largely inverted when the input current is less than the alternate long and short dash line. is there.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of the delay of the transient response due to the inversion of the integrator output as a result of the transient analysis.
  • (a) shows an input current (Iin) from an avalanche photodiode 12 when an optical signal in which a weak input burst comes after a strong input burst is received.
  • (B) shows the inverting amplification output (burst-shaped waveform) of the amplifier 13 with respect to the input voltage, and ⁇ 40 mV (linear portion) as the reference voltage.
  • C shows the positive phase potential (solid line) and the negative phase potential (broken line) of the output of the integrator 161.
  • the upper line is the source voltage of the AC current-pulled MOS transistor M3, and the two lower lines appearing to overlap are the gate voltage of the AC current-pulled MOS transistor M3 and the DC current-pulled MOS transistors M0 and M1. Gate voltage. The line below this is the level of GND.
  • E is two wires that are substantially overlapped from beginning to end. The DC withdrawal current is accompanied by a slight vertical vibration, and the AC withdrawal current is linear.
  • (F) shows the input voltage to the subsequent circuit 21. The horizontal axis is the time common to (a) to (f).
  • Focusing on (c) in FIG. 5 it is in the inverted state from beginning to end, and as shown by the dotted line of the ellipse, the burst ends without being able to escape from the inverted state with respect to the strong input burst. Therefore, the optical receiver 10 is in a state where the loop remains open. Focusing on (d), the lower line is attached to the GND, and the current is not drawn out. Even if attention is paid to (e), the current is not substantially drawn out. From FIG. 5, when the output of the integrator 161 is inverted, it cannot escape from the inversion, which may cause a delay in the transient response.
  • FIG. 6 is a graph showing an example of integrator output inversion at the time of open loop as a result of DC analysis (static characteristic analysis).
  • A shows a voltage (broken line) output by the amplifier 13 and a reference voltage (solid line) to which a negative offset voltage (40 mV) is added.
  • B shows the positive phase potential (solid line) and the negative phase potential (broken line) of the output of the integrator 161.
  • C shows the gate potential (broken line) of the MOS transistor M3 of the AC adjustment circuit 15 and the gate potential (solid line) of the MOS transistors M0 and M1 of the DC adjustment circuit 14.
  • D indicates the DC offset current to be removed.
  • (E) shows the current to be injected into the positive phase (solid line) and the current to be drawn from the negative phase (broken line, merged with the solid line from the middle) in order to suppress the output inversion of the integrator 161.
  • the horizontal axis is a logarithmic scale of the input current (Iin) common to (a) to (e).
  • the vertical alternate long and short dash line in the figure indicates the position of the input current of about 90 ⁇ A.
  • FIG. 7 is a graph showing an example of the results of transient analysis.
  • (a) shows an input current (Iin) from an avalanche photodiode 12 when an optical signal in which a weak input burst comes after a strong input burst is received.
  • (B) shows the inverting amplification output (burst-shaped waveform) of the amplifier 13 with respect to the input voltage, and ⁇ 40 mV (linear portion) as the reference voltage.
  • C shows the positive phase potential (solid line) and the negative phase potential (broken line) of the output of the integrator 161.
  • the upper line is the source voltage of the MOS transistor M3 with the AC current drawn
  • the middle line is the gate voltage of the MOS transistors M0 and M1 with the DC current drawn
  • the lower line is the gate of the MOS transistor M3 with the AC current drawn. It is a voltage.
  • the one on the top with a large change is the DC withdrawal current
  • the one on the bottom with a linear change is the AC withdrawal current.
  • (F) shows the input voltage to the subsequent circuit 21.
  • the horizontal axis is the time common to (a) to (f).
  • the integrator output is inverted with respect to the weak input burst, but the gate voltage of the MOS transistors M0 and M1 of the DC adjustment circuit 14 is maintained, and the closed loop is maintained.
  • the withdrawal current of DC decreases with respect to the weak input burst and converges to several ⁇ A, but the closed loop is maintained.
  • FIG. 8 is an example of a graph showing what kind of frequency characteristics the amplification factor of the amplifier 13 shows with respect to input currents of various sizes after the addition of the inverting suppression circuit 162.
  • the graph below is an enlargement of the upper two-dot chain line. The part surrounded by the dotted ellipse in the graph below indicates that feedback is applied (closed loop) even with a weak input burst of less than 50 ⁇ A.
  • the effective value of noise is 1.
  • the input current (Iin) is 24 ⁇ A as the integrated value of the band 25 GHz and the operation is completely closed loop without adding the voltage of the negative offset. It was 71 ⁇ Arms.
  • the voltage becomes 1.52 ⁇ Arms, and noise is reduced.
  • the inverting suppression circuit 162 was provided, the effective value of noise was 1.54 ⁇ A for the same input current. Therefore, even if the inverting suppression circuit 162 is provided, the increase is only 0.02 ⁇ Arms, and the noise is sufficiently reduced as compared with the case where the operation is completely closed loop. It is considered that this is due to the fact that the withdrawal current of DC is as small as several ⁇ A when the loop is closed by using the inverting suppression circuit 162.
  • the delay of the transient response can be reduced, and the noise is increased under the condition that the reference voltage to which the negative offset voltage is added is lower than the output voltage of the amplifier 13.
  • the closed loop can be sustained without.
  • optical receiving device 10 is provided in the station side device 1, it can also be provided in the terminal devices 2, 3 and 4.
  • Station side device 1a Line card 2,3,4 Terminal device 5 Optical fiber 6 Optical coupler 7,8,9 Optical fiber 10 Optical receiver 11 Pre-amplifier 12 Avalanche photodiode 13 Amplifier 14 DC adjustment circuit 15 AC adjustment circuit 16 Control unit 17 Differential circuit 18 Detection circuit 19 Reference potential generation circuit 20 Capacitor 21 Post-stage circuit 100 PON system 161 Integrator 162 Inversion suppression circuit 162A Transconductance amplifier (OTA) 162B, 162C Current mirror circuit 163 Transconductance amplifier (OTA) 164 Current control unit L Input circuit M0, M1, M2, M3 MOS transistor M11, M12, M13, M14, M15 MOS transistor N Reverse phase P Positive phase

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Abstract

バースト状の光信号を受信する光受信装置であって、光信号を受ける受光素子と、受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅する増幅器と、受光素子から増幅器に至る入力電路に接続され、入力電流に含まれるオフセットの電流を除去する直流調整回路と、入力電路に接続され、入力電流の一部を流す交流調整回路と、増幅器の出力及び参照電圧に基づいて、直流調整回路及び交流調整回路を制御する制御部と、を備え、制御部は、増幅器の出力を積分し、正相及び逆相の２電路に出力する積分器と、積分器の出力の逆相電位が正相電位より高いとき、正相に電流を注入し、かつ、逆相から電流を引き抜くよう動作する反転抑制回路と、を含む。

Description

光受信装置、局側装置、ＰＯＮシステム、前置増幅器、光受信方法、及び、積分器の出力反転抑制方法
　本開示は、光受信装置、局側装置、ＰＯＮシステム、前置増幅器、光受信方法、及び、積分器の出力反転抑制方法に関する。
　本出願は、２０１９年６月１３日出願の日本出願第２０１９－１１０４４６号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
　光受信に用いられる光受信装置において、フォトダイオードで受光したバースト状の光信号は、前置増幅器（ＴＩＡ：Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を経て、差動信号の形で出力される（例えば、特許文献１参照。）。ＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）システムの局側装置は、多数の端末装置(宅側装置)と光ファイバを介して接続されている。そのため、端末装置から局側装置までの距離が均一ではなく、局側装置に搭載されている光受信装置に届く光信号の強度に、端末装置ごとの大きな差がある。
　そこで、フォトダイオードで変換して得た電流の一部を逃がす（又は引き抜く）調整回路を設け、光信号の強度が高いときは電流の一部を逃がし、光信号の強度が弱いときは逃がす機能を停止する（例えば、特許文献２，３参照。）。停止させるには、増幅段の出力より下回るように、参照電圧に負のオフセットの電圧を与えることで実現できると考えられる。電流の一部を逃がすときは閉ループ制御となり、逃がす機能を停止すると開ループ制御となる。
特開２０１１－２５０１３７号公報 特開２０１２－６０４３６号公報 国際公開ＷＯ２０１６／０３５３７４　Ａ１
　本開示は、以下の発明を含む。但し、本発明は請求の範囲によって定められるものである。
　（光受信装置）
　本開示は、バースト状の光信号を受信する光受信装置であって、
　前記光信号を受ける受光素子と、
　前記受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅する増幅器と、
　前記受光素子から前記増幅器に至る入力電路に接続され、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去する直流調整回路と、
　前記入力電路に接続され、前記入力電流の一部を流す交流調整回路と、
　前記増幅器の出力及び参照電圧に基づいて、前記直流調整回路及び前記交流調整回路を制御する制御部と、を備え、
　前記制御部は、
　前記増幅器の出力を積分し、正相及び逆相の２電路に出力する積分器と、
　前記積分器の出力の逆相電位が正相電位より高いとき、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜くよう動作する反転抑制回路と、を含む。
　(局側装置)
　本開示は、光ファイバによる光伝送路を介して複数の端末装置と接続される局側装置であって、
　前記端末装置からバースト状の光信号を受ける受光素子と、
　前記受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅する増幅器と、
　前記受光素子から前記増幅器に至る入力電路に接続され、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去する直流調整回路と、
　前記入力電路に接続され、前記入力電流の一部を流す交流調整回路と、
　前記増幅器の出力及び参照電圧に基づいて、前記直流調整回路及び前記交流調整回路を制御する制御部と、を備え、
　前記制御部は、
　前記増幅器の出力を積分し、正相及び逆相の２電路に出力する積分器と、
　前記積分器の出力の逆相電位が正相電位より高いとき、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜くよう動作する反転抑制回路と、を含む。
　（ＰＯＮシステム）
　本開示のＰＯＮシステムは、
　複数の端末装置と、
　光ファイバによる光伝送路と、
　前記光伝送路を介して前記複数の端末装置と通信する局側装置と、を備えているＰＯＮシステムであって、
　前記端末装置及び前記局側装置のうち、少なくとも前記局側装置に搭載される光受信装置は、
　前記端末装置からバースト状の光信号を受ける受光素子と、
　前記受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅する増幅器と、
　前記受光素子から前記増幅器に至る入力電路に接続され、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去する直流調整回路と、
　前記入力電路に接続され、前記入力電流の一部を流す交流調整回路と、
　前記増幅器の出力及び参照電圧に基づいて、前記直流調整回路及び前記交流調整回路を制御する制御部と、を備え、
　前記制御部は、
　前記増幅器の出力を積分し、正相及び逆相の２電路に出力する積分器と、
　前記積分器の出力の逆相電位が正相電位より高いとき、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜くよう動作する反転抑制回路と、を含む。
　（前置増幅器）
　本開示の前置増幅器は、
　バースト状の光信号を受ける受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅する増幅器と、
　前記受光素子から前記増幅器に至る入力電路に接続され、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去する直流調整回路と、
　前記入力電路に接続され、前記入力電流の一部を流す交流調整回路と、
　前記増幅器の出力及び参照電圧に基づいて、前記直流調整回路及び前記交流調整回路を制御する制御部と、を備え、
　前記制御部は、
　前記増幅器の出力を積分し、正相及び逆相の２電路に出力する積分器と、
　前記積分器の出力の逆相電位が正相電位より高いとき、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜くよう動作する反転抑制回路と、を含む。
　(光受信方法)
　本開示は、バースト状の光信号を受信する光受信方法であって、前置増幅の段階において、
　前記光信号を受ける受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅器により増幅し、
　前記増幅器の出力及び参照電圧に基づいて、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去するとともに、前記入力電流の一部を逃がし、
　前記増幅器の出力を積分器により積分して、正相及び逆相の２電路に出力し、当該２電路への出力の逆相電位が正相電位より高いときは、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜く、
　光受信方法である。
　（積分器の出力反転抑制方法）
　本開示は、光受信用の前置増幅器における積分器の出力反転抑制方法であって、
　バースト状の光信号を受ける受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅し、
　増幅して得た出力及び参照電圧に基づいて、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去するとともに、前記入力電流の一部を逃がし、
　前記出力を前記積分器により積分して、正相及び逆相の２電路に出力し、当該２電路への出力の逆相電位が正相電位より高いときは、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜く、
　積分器の出力反転抑制方法である。
図１は、一実施形態に係るＰＯＮシステムの接続図である。 図２は、光受信装置の回路構成の一例を示す図であり、その中の、特に前置増幅器の部分を中心とした図である。 図３は、図２における反転抑制回路の内部回路を示す図である。 図４は、ＤＣ解析（静特性解析）の結果としての、開ループ時の積分器出力反転の一例を示すグラフである。 図５は、過渡解析の結果としての、積分器出力反転による過渡応答の遅延の一例を示すグラフである。 図６は、ＤＣ解析（静特性解析）の結果としての、開ループ時の積分器出力反転の一例を示すグラフである。 図７は、過渡解析の結果の一例を示すグラフである。 図８は、反転抑制回路追加後の、増幅器の増幅率が、種々の大きさの入力電流に関して、どのような周波数特性を示すかを表すグラフの一例である。
　［本開示が解決しようとする課題］
　参照電圧に与える負のオフセットの電圧を大きくとると、積分器の正相及び逆相の出力が反転して電位差が拡がっていく場合がある。このような場合には、バーストに対する過渡応答が遅れ、光信号の正常な受信に失敗する場合がある。
　かかる課題に鑑み、本開示は、バースト状の光信号を受信する光受信装置における積分器の出力の反転を抑制することを目的とする。
　［本開示の効果］
　本開示によれば、バースト状の光信号を受信する光受信装置における積分器の出力の反転を抑制することができる。
 
　［本開示の実施形態の説明］
　本開示の実施形態には、その要旨として、少なくとも以下のものが含まれる。
　（１）光受信装置として開示するのは、バースト状の光信号を受信する光受信装置であって、前記光信号を受ける受光素子と、前記受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅する増幅器と、前記受光素子から前記増幅器に至る入力電路に接続され、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去する直流調整回路と、前記入力電路に接続され、前記入力電流の一部を流す交流調整回路と、前記増幅器の出力及び参照電圧に基づいて、前記直流調整回路及び前記交流調整回路を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記増幅器の出力を積分し、正相及び逆相の２電路に出力する積分器と、前記積分器の出力の逆相電位が正相電位より高いとき、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜くよう動作する反転抑制回路と、を含む。
　このような光受信装置では、積分器の出力が反転して逆相電位が正相電位より高い状態になると、反転抑制回路が正相に電流を注入し、かつ、逆相から電流を引き抜くよう動作することができる。これにより、積分器の出力の反転は抑制される。従って、十分な負のオフセットの電圧を与えた場合でも、積分器の出力の電位差が反転拡大することを抑制することができる。このようにして、バースト状の光信号を受信する光受信装置における積分器の出力の反転を抑制することができる。
　（２）前記(１)の光受信装置において、前記反転抑制回路が注入する電流と引き抜く電流とは、互いに等量であることが好ましい。
　この場合、注入する電流と引き抜く電流とは互いに等量であるため、積分器の出力のコモン電位は変化しない。
　（３）前記（１）又は（２）の光受信装置において、前記反転抑制回路は、前記積分器の出力する、前記正相と前記逆相との電位差に基づく電圧を電流に変換して出力するトランスコンダクタンスアンプと、前記トランスコンダクタンスアンプの出力に基づいて、前記正相に注入する電流と前記逆相から引き抜く電流とを生成するカレントミラー回路と、を含むものであってもよい。
　この場合、積分器の出力の逆相電位より正相電位の方が高いとき、反転抑制回路は電流の注入も引き抜きもしない。積分器の出力の逆相電位が正相電位より高い状態すなわち電位の反転が発生し始めると、それを抑制する電流をカレントミラー回路により直ちに生成することができる。
　（４）前記（１）から（３）までのいずれかの光受信装置において、例えば、前記参照電圧には負のオフセットの電圧が追加される。
　バースト状の光信号に強弱の差があって、例えば強度が相対的に弱いとき、仮に、参照電圧に負のオフセットの電圧を与えなかった場合には、少しでも正のオフセットの電圧が増加する条件では、直流調整回路が電流を引き抜くことで、ノイズの増加を引き起こす場合がある。従って、負のオフセットの電圧を低減することは得策ではなく、十分な負のオフセットの電圧を与えることが好ましい。
　（５）前記（１）から（４）までのいずれかの光受信装置において、例えば、前記正相電位が前記逆相電位より高いとき、前記反転抑制回路は、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜く、という動作を実行しない。
　正相電位が逆相電位より高いときには、反転抑制回路は無駄な動作をしない。
　（６）局側装置としては、光ファイバによる光伝送路を介して複数の端末装置と接続される局側装置であって、前記端末装置からバースト状の光信号を受ける受光素子と、記受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅する増幅器と、前記受光素子から前記増幅器に至る入力電路に接続され、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去する直流調整回路と、前記入力電路に接続され、前記入力電流の一部を流す交流調整回路と、前記増幅器の出力及び参照電圧に基づいて、前記直流調整回路及び前記交流調整回路を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記増幅器の出力を積分し、正相及び逆相の２電路に出力する積分器と、前記積分器の出力の逆相電位が正相電位より高いとき、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜くよう動作する反転抑制回路と、を含む。
　このような局側装置では、積分器の出力が反転して逆相電位が正相電位より高い状態になると、反転抑制回路が正相に電流を注入し、かつ、逆相から電流を引き抜くよう動作することができる。これにより、積分器の出力の反転は抑制される。従って、十分な負のオフセットの電圧を与えた場合でも、積分器の出力の電位差が反転拡大することを抑制することができる。このようにして、バースト状の光信号を受信する局側装置における積分器の出力の反転を抑制することができる。
　（７）ＰＯＮシステムとしては、複数の端末装置と、光ファイバによる光伝送路と、前記光伝送路を介して前記複数の端末装置と通信する局側装置と、を備えているＰＯＮシステムであって、前記端末装置及び前記局側装置のうち、少なくとも前記局側装置に搭載される光受信装置は、前記端末装置からバースト状の光信号を受ける受光素子と、前記受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅する増幅器と、前記受光素子から前記増幅器に至る入力電路に接続され、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去する直流調整回路と、前記入力電路に接続され、前記入力電流の一部を流す交流調整回路と、前記増幅器の出力及び参照電圧に基づいて、前記直流調整回路及び前記交流調整回路を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記増幅器の出力を積分し、正相及び逆相の２電路に出力する積分器と、前記積分器の出力の逆相電位が正相電位より高いとき、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜くよう動作する反転抑制回路と、を含む。
　このようなＰＯＮシステムでは、局側装置内の光受信装置において、積分器の出力が反転して逆相電位が正相電位より高い状態になると、反転抑制回路が正相に電流を注入し、かつ、逆相から電流を引き抜くよう動作することができる。これにより、積分器の出力の反転は抑制される。従って、十分な負のオフセットの電圧を与えた場合でも、積分器の出力の電位差が反転拡大することを抑制することができる。このようにして、バースト状の光信号を受信する光受信装置における積分器の出力の反転を抑制することができる。
　（８）前置増幅器としては、バースト状の光信号を受ける受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅する増幅器と、前記受光素子から前記増幅器に至る入力電路に接続され、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去する直流調整回路と、前記入力電路に接続され、前記入力電流の一部を流す交流調整回路と、前記増幅器の出力及び参照電圧に基づいて、前記直流調整回路及び前記交流調整回路を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記増幅器の出力を積分し、正相及び逆相の２電路に出力する積分器と、前記積分器の出力の逆相電位が正相電位より高いとき、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜くよう動作する反転抑制回路と、を含む。
　このような前置増幅器では、積分器の出力が反転して逆相電位が正相電位より高い状態になると、反転抑制回路が正相に電流を注入し、かつ、逆相から電流を引き抜くよう動作することができる。これにより、積分器の出力の反転は抑制される。従って、十分な負のオフセットの電圧を与えた場合でも、積分器の出力の電位差が反転拡大することを抑制することができる。このようにして、バースト状の光信号を受信する場合の、積分器の出力の反転を抑制することができる。
　（９）光受信方法としては、バースト状の光信号を受信する光受信方法であって、前置増幅の段階において、前記光信号を受ける受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅器により増幅し、前記増幅器の出力及び参照電圧に基づいて、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去するとともに、前記入力電流の一部を逃がし、前記増幅器の出力を積分器により積分して、正相及び逆相の２電路に出力し、当該２電路への出力の逆相電位が正相電位より高いときは、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜く、光受信方法である。
　このような光受信方法によれば、積分器の出力が反転して逆相電位が正相電位より高い状態になると、正相に電流を注入し、かつ、逆相から電流を引き抜くことができる。これにより、積分器の出力の反転は抑制される。従って、十分な負のオフセットの電圧を与えた場合でも、積分器の出力の電位差が反転拡大することを抑制することができる。このようにして、バースト状の光信号を受信する場合の、積分器の出力の反転を抑制することができる。
　（１０）積分器の出力反転抑制方法としては、光受信用の前置増幅器における積分器の出力反転抑制方法であって、バースト状の光信号を受ける受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅し、増幅して得た出力及び参照電圧に基づいて、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去するとともに、前記入力電流の一部を逃がし、前記出力を前記積分器により積分して、正相及び逆相の２電路に出力し、当該２電路への出力の逆相電位が正相電位より高いときは、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜く、積分器の出力反転抑制方法である。
　このような出力反転抑制方法によれば、積分器の出力が反転して逆相電位が正相電位より高い状態になると、正相に電流を注入し、かつ、逆相から電流を引き抜くことができる。これにより、積分器の出力の反転は抑制される。従って、十分な負のオフセットの電圧を与えた場合でも、積分器の出力の電位差が反転拡大することを抑制することができる。このようにして、バースト状の光信号を受信する場合の、積分器の出力の反転を抑制することができる。
　［本開示の実施形態の詳細］
　以下、本開示の具体例について、図面を参照して説明する。
　《ＰＯＮシステム》
　図１は、一実施形態に係るＰＯＮシステム１００の接続図である。図において、局側装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｌｉｎｅ　Ｔｅｒｍｉｎａｌ）１は、Ｐ２ＭＰ（Ｐｏｉｎｔ　ｔｏ　Ｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔ）の関係で接続される複数の端末装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｕｎｉｔ）２，３，４に対する集約局として設置されている。端末装置２，３，４はそれぞれ、ＰＯＮシステム１００の加入者宅に設置される。当該システムでは、局側装置１に接続された１本の光ファイバ（幹線）５から光カプラ６を介して複数の光ファイバ（支線）７，８，９に分岐した光ファイバ網が構成されている。なお、端末装置の数は図示の便宜上の一例に過ぎず、現実にはもっと多い。
　局側装置１と各端末装置２，３，４との間では、端末装置２，３，４から局側装置１への上り通信と、局側装置１から各端末装置２，３，４への下り通信が可能である。光カプラ６からそれぞれの端末装置２，３，４までの距離は均等ではなく、遠近の差がある。従って、端末装置２，３，４から局側装置１に届く光信号には強度差がある。局側装置１には光受信装置を含むラインカード１ａが搭載されている。
　《光受信装置》
　図２は、光受信装置１０の回路構成の一例を示す図であり、その中の、特に前置増幅器１１の部分を中心とした図である。光受信装置１０は、端末装置２，３，４から送られてくるバースト状の光信号（以下、単にバーストと言う。）を受信する装置であり、受光素子としてのアバランシェフォトダイオード１２と、増幅器１３と、直流調整回路１４と、交流調整回路１５と、制御部１６と、差動回路１７と、検知回路１８と、基準電位発生回路１９とを備えている。前置増幅器１１の出力（Ｖｏｕｔ，Ｖｏｕｔｂ）はコンデンサ２０によるＡＣ結合を経て後段回路２１へ送られる。
　カソードに電圧ＶＰＤが印加されたアバランシェフォトダイオード１２は、光信号を電流に変換する。増幅器１３は、アバランシェフォトダイオード１２からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅し、電圧Ｖａを出力する。アバランシェフォトダイオード１２から増幅器１３に至る入力電路Ｌに接続されている直流調整回路１４は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ－Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ－Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下、ＭＯＳトランジスタと言う。）Ｍ０，Ｍ１のカレントミラー回路を有している。
　直流調整回路１４は、アバランシェフォトダイオード１２からの入力電流Ｉｉｎからオフセットの電流Ｉａｏｃを除去する。同様に入力電路Ｌに接続されている交流調整回路１５は、ＭＯＳトランジスタＭ３を有している。交流調整回路１５は、アバランシェフォトダイオード１２から入ってくる電流Ｉｉｎの一部（電流Ｉａｇｃ）を流して（逃がして）増幅器１３に送らない機能を有する。このように、電流Ｉｉｎは、電流Ｉａｏｃ、電流Ｉａｇｃ、及び、増幅器１３への入力電流に分かれる。
　制御部１６は、積分器１６１、反転抑制回路１６２、トランスコンダクタンスアンプ（以下、ＯＴＡ（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　Ｔｒａｎｓｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）という。）１６３、電流制御部１６４、及び、ＭＯＳトランジスタＭ２を備えている。積分器１６１、差動回路１７、ＭＯＳトランジスタＭ２，Ｍ３には、基準電位発生回路１９から負のオフセットの電圧を含む参照電圧が与えられている。負のオフセットの電圧により、強入力バーストに対しては交流調整回路１５及び直流調整回路１４が動作するが、弱入力バーストに対しては、交流調整回路１５及び直流調整回路１４は動作しないようにすることができる。
　積分器１６１は、増幅器１３の出力を積分し、正相Ｐ及び逆相Ｎの２電路に出力する。積分器１６１の出力は、ＯＴＡ１６３を経て電流制御部１６４に与えられる。ＯＴＡ１６３は、入力に応じて増幅率を変える回路を有する。電流制御部１６４は、増幅度調整をする入力電流範囲の設定を行う。検知回路１８は、差動回路１７から出力を検知し、強入力バーストに対応すべく、積分器１６１の時定数を切り替える機能を有する。電流制御部１６４は、ＭＯＳトランジスタＭ２，Ｍ３のカレントミラー回路、及び、ＭＯＳトランジスタＭ０，Ｍ１のカレントミラー回路を制御する。
　図３は、図２における反転抑制回路１６２の内部回路を示す図である。図３において、反転抑制回路１６２は、ＯＴＡ１６２Ａと、カレントミラー回路１６２Ｂを構成するＰＮＰ型のＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２，Ｍ１３と、他のカレントミラー回路１６２Ｃを構成するＮＰＮ型のＭＯＳトランジスタＭ１４，Ｍ１５とを備えている。ＭＯＳトランジスタＭ１４，Ｍ１５のソース側には、制御電源電圧Ｖｃｃが供給されている。ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２，Ｍ１３のソース側は、ＧＮＤに繋がっている。
　ＯＴＡ１６２Ａは、積分器１６１から入力される正相電位Ｖｐ及び逆相電位Ｖｎに基づいて動作する。具体的には、Ｖｐ≧Ｖｎのときは、ＯＴＡ１６２Ａは動作しない。逆相電位Ｖｎが正相電位Ｖｐより高い反転状態となり、かつ、反転電位差が所定の基準値を超えると、ＯＴＡ１６２Ａが動作する。当該動作とは、反転電位差から基準値を引いた電位差に比例する正の出力電流を発生させることである。発生した電流に基づいて、ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２，Ｍ１３によるカレントミラー回路１６２Ｂ、及び、ＭＯＳトランジスタＭ１４，Ｍ１５によるカレントミラー回路１６２Ｃにより、正相Ｐに電流Ｉｐが注入され、かつ、逆相Ｎから電流Ｉｎが引き抜かれる。
　このような反転抑制回路１６２を有する光受信装置１０は、積分器１６１の出力が反転して逆相電位Ｖｎが正相電位Ｖｐより高い状態（厳密には基準値を超えて高い状態）になると、反転抑制回路１６２が正相Ｐに電流を注入し、かつ、逆相Ｎから電流を引き抜くよう動作する。これにより、積分器１６１の出力の反転は抑制される。従って、基準電位発生回路１９の発生する参照電圧に十分な負のオフセットの電圧を与えた場合でも、積分器１６１の出力の電位差が反転拡大することを抑制することができる。
　また、ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２，Ｍ１３によるカレントミラー回路１６２Ｂの動作によって、ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２，Ｍ１３には同じ電流Ｉｎが流れる。この結果、ＭＯＳトランジスタＭ１４にも電流Ｉｎと等量の電流Ｉｐが流れ、ＭＯＳトランジスタＭ１４，Ｍ１５によるカレントミラー回路１６２Ｃの動作によって、ＭＯＳトランジスタＭ１５に電流Ｉｐが流れる。すなわち、反転抑制回路１６２が正相Ｐに注入する電流Ｉｐと逆相Ｎから引き抜く電流Ｉｎとは、互いに等量である。このように、注入する電流と引き抜く電流とが互いに等量であることにより、積分器１６１の出力のコモン電位は変化しない。
　また、反転抑制回路１６２のＯＴＡ１６２Ａは、積分器１６１の出力する正相と逆相との電位差に基づく電圧を電流に変換して出力する。カレントミラー回路１６２Ｂ，１６２Ｃは、ＯＴＡ１６２Ａの出力に基づいて、正相に注入する電流と逆相から引き抜く電流とを生成する。この場合、積分器１６１の出力の逆相電位Ｖｎより正相電位Ｖｐの方が高いとき、反転抑制回路１６２は電流の注入も引き抜きもしない。言い換えれば無駄な動作をしない。積分器１６１の出力の逆相電位Ｖｎが正相電位Ｖｐより高い状態すなわち電位の反転が発生し始めると、それを抑制する電流をカレントミラー回路１６２Ｂ，１６２Ｃにより直ちに生成することができる。
　以下、グラフを用いて上記反転抑制回路１６２の作用効果について説明する。まず、比較のために、反転抑制回路１６２が無い場合について説明する。
　《反転抑制回路が無い場合》
　（開ループ時の積分器出力反転）
　図４は、ＤＣ解析（静特性解析）の結果としての、開ループ時の積分器出力反転の一例を示すグラフである。（ａ）は増幅器１３の出力する電圧（破線）と、負のオフセットの電圧（４０ｍＶ）を追加した参照電圧（実線）とを示す。（ｂ）は、積分器１６１の出力の正相電位（実線）及び逆相電位（破線）を示す。（ｃ）は、交流調整回路１５のＭＯＳトランジスタＭ３のゲート電位（破線）及び直流調整回路１４のＭＯＳトランジスタＭ０，Ｍ１のゲート電位（実線）を示す。（ｄ）は、除去される直流のオフセットの電流を示す。横軸は、（ａ）から（ｄ）までに共通の、入力電流（Ｉｉｎ）の対数目盛である。
　入力電流が少ない電流範囲（１０－５［Ａ］から図の縦方向の一点鎖線のラインまで）では、負のオフセットの電圧が効いて直流調整回路１４及び交流調整回路１５は機能せず、入力電流からＡＣ及びＤＣの電流を引き抜くこと（以下、電流を引き抜くことを「電流引き抜き」という。）を行わない。一点鎖線のライン以上の入力電流に対しては、直流調整回路１４及び交流調整回路１５は、電流引き抜きを行う。ここで、（ｂ）のグラフにより明らかなように、一点鎖線のラインより少ない入力電流の場合に、積分器１６１の出力の正相電位と逆相電位とが大きく反転していることが問題である。
　次に、図５は、過渡解析の結果としての、積分器出力反転による過渡応答の遅延の一例を示すグラフである。図において、（ａ）は、強入力バーストの次に弱入力バーストが来る光信号を受光した際のアバランシェフォトダイオード１２からの入力電流（Ｉｉｎ）を示す。（ｂ）は、入力電圧に対する増幅器１３の反転増幅出力（バースト状の波形）、及び、参照電圧としての－４０ｍＶ（直線状の部分）を示す。（ｃ）は、積分器１６１の出力の正相電位（実線）及び逆相電位（破線）を示す。（ｄ）は、上の線がＡＣ電流引き抜きのＭＯＳトランジスタＭ３のソース電圧、重なって見える２本の下の線がＡＣ電流引き抜きのＭＯＳトランジスタＭ３のゲート電圧及びＤＣ電流引き抜きのＭＯＳトランジスタＭ０，Ｍ１のゲート電圧である。この下の線はＧＮＤのレベルである。（ｅ）は、終始概ね重なった２線であり、上下の僅かな振動を伴う方がＤＣの引き抜き電流、直線状なのがＡＣの引き抜き電流である。（ｆ）は、後段回路２１への入力電圧を示す。横軸は（ａ）から（ｆ）までに共通の時間である。
　図５における（ｃ）に注目すると、終始反転状態にあり、楕円の点線で示すように、強入力バーストに対して、反転状態から脱出できないまま、バースト終了となる。従って、光受信装置１０はループが開きっぱなしの状態である。（ｄ）に注目すると、下の線はＧＮＤに張り付いており、電流引き抜きが行われない。（ｅ）に注目しても、実質的に、電流引き抜きは行われない。図５より、積分器１６１の出力が反転すると、反転から脱出できず、過渡応答の遅延を生じる場合がある。
　なお、参照電圧に負のオフセットの電圧を与えない場合には、少しでも正のオフセットの電圧が増加するＰＶＴ（Ｐｒｏｃｅｓｓ－Ｖｏｌｔａｇｅ－Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）条件では、弱入力バーストでも閉ループとなって電流引き抜きが発生し、ノイズの増加を引き起こす場合がある。従って、負のオフセットの電圧を低減することは得策ではなく、十分な負のオフセットの電圧を与えることが好ましい。また、十分な負のオフセットの電圧を与えても積分器１６１の出力の正相電位と逆相電位との反転電位差が拡大しない機能が必要である。反転抑制回路１６２は、このニーズの解決策である。
　《反転抑制回路がある場合》
　図６は、ＤＣ解析（静特性解析）の結果としての、開ループ時の積分器出力反転の一例を示すグラフである。（ａ）は増幅器１３の出力する電圧（破線）と、負のオフセットの電圧（４０ｍＶ）を追加した参照電圧（実線）とを示す。（ｂ）は、積分器１６１の出力の正相電位（実線）及び逆相電位（破線）を示す。（ｃ）は、交流調整回路１５のＭＯＳトランジスタＭ３のゲート電位（破線）及び直流調整回路１４のＭＯＳトランジスタＭ０，Ｍ１のゲート電位（実線）を示す。（ｄ）は、除去される直流のオフセットの電流を示す。（ｅ）は、積分器１６１の出力反転を抑制すべく、正相に注入する電流（実線）及び逆相から引き抜く電流（破線、途中から実線と合流）を示す。横軸は、（ａ）から（ｅ）までに共通の、入力電流（Ｉｉｎ）の対数目盛である。図中の縦の一点鎖線のラインは、約９０μＡの入力電流の位置を示している。
　図６の（ｅ）に示すように、入力電流１０μＡ（１０－５Ａ）から９０μＡまでの弱入力範囲では、正相には電流が注入され、逆相からは等量の電流が引き抜かれる。その結果、（ｂ）の波形により明らかなように、負のオフセットの電圧を与えている場合でも、弱入力範囲での積分器１６１の出力の大きな反転は抑制されている。
　図７は、過渡解析の結果の一例を示すグラフである。図において、（ａ）は、強入力バーストの次に弱入力バーストが来る光信号を受光した際のアバランシェフォトダイオード１２からの入力電流（Ｉｉｎ）を示す。（ｂ）は、入力電圧に対する増幅器１３の反転増幅出力（バースト状の波形）、及び、参照電圧としての－４０ｍＶ（直線状の部分）を示す。（ｃ）は、積分器１６１の出力の正相電位（実線）及び逆相電位（破線）を示す。（ｄ）は、上の線がＡＣ電流引き抜きのＭＯＳトランジスタＭ３のソース電圧、中間の線はＤＣ電流引き抜きのＭＯＳトランジスタＭ０，Ｍ１のゲート電圧、下の線がＡＣ電流引き抜きのＭＯＳトランジスタＭ３のゲート電圧である。（ｅ）は、上にあって変化が大きい方がＤＣの引き抜き電流、下にあって直線状なのがＡＣの引き抜き電流である。（ｆ）は、後段回路２１への入力電圧を示す。横軸は、（ａ）から（ｆ）までに共通の時間である。
　図７において、（ｃ）に注目すると、点線の丸印で示すところの、最初のバーストの先頭から約０．２μ秒（＝２００ｎ秒）以内に、反転状態から脱出している。バースト終了までに反転状態から脱出できなかった図５と比較すれば明らかに、過渡応答の遅延が劇的に改善され、縮小されている。
　その後、弱入力バーストに対して積分器出力の反転状態が生じているが、直流調整回路１４のＭＯＳトランジスタＭ０，Ｍ１のゲート電圧が維持されており、閉ループは維持されている。（ｅ）において、ＤＣの引き抜き電流は弱入力バーストに対して低下し、数μＡに収束するが、閉ループは維持されている。
　図８は、反転抑制回路１６２を追加した後の、増幅器１３の増幅率が、種々の大きさの入力電流に関して、どのような周波数特性を示すかを表すグラフの一例である。上の二点鎖線の囲みを拡大したものが下のグラフである。下のグラフにおける点線の楕円で囲んだ部分は、５０μＡ未満の弱入力バーストでもフィードバックがかかっている（閉ループになっている）ことを表している。
　さらに、ノイズ特性に関して、帯域２５ＧＨｚの積分値としての入力電流（Ｉｉｎ）２４μＡに対して、ノイズの実効値は、負のオフセットの電圧を追加せず完全に閉ループ動作させた場合には、１．７１μＡｒｍｓであった。反転抑制回路１６２を設けずに負のオフセットの電圧を追加した場合は、１．５２μＡｒｍｓとなり、ノイズは低減される。
　これに対して、反転抑制回路１６２を設けた場合には、同様の入力電流に対してノイズの実効値は、１．５４μＡであった。従って、反転抑制回路１６２を設けても０．０２μＡｒｍｓしか増加せず、完全に閉ループ動作させた場合に対して十分にノイズは低減されている。これは、反転抑制回路１６２を用いて閉ループ化した場合、ＤＣの引き抜き電流が数μＡと小さいこと、が影響していると考えられる。
　以上のように、反転抑制回路１６２を設けることにより、過渡応答の遅延が縮小できることの他、負のオフセットの電圧を追加した参照電圧が増幅器１３の出力電圧より低いという条件で、ノイズを増加させずに閉ループの持続ができる。
　《その他》
　なお、上記開示の光受信装置１０は、局側装置１に設けられるが、端末装置２，３，４にも設けることができる。
　《補記》
　なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
　１　局側装置
　１ａ　ラインカード
　２，３，４　端末装置
　５　光ファイバ
　６　光カプラ
　７，８，９　光ファイバ
　１０　光受信装置
　１１　前置増幅器
　１２　アバランシェフォトダイオード
　１３　増幅器
　１４　直流調整回路
　１５　交流調整回路
　１６　制御部
　１７　差動回路
　１８　検知回路
　１９　基準電位発生回路
　２０　コンデンサ
　２１　後段回路
　１００　ＰＯＮシステム
　１６１　積分器
　１６２　反転抑制回路
　１６２Ａ　トランスコンダクタンスアンプ（ＯＴＡ）
　１６２Ｂ，１６２Ｃ　カレントミラー回路
　１６３　トランスコンダクタンスアンプ（ＯＴＡ）
　１６４　電流制御部
　Ｌ　入力電路
　Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３　ＭＯＳトランジスタ
　Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３，Ｍ１４，Ｍ１５　ＭＯＳトランジスタ
　Ｎ　逆相
　Ｐ　正相

Claims (10)

  1. 　バースト状の光信号を受信する光受信装置であって、
    　前記光信号を受ける受光素子と、
    　前記受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅する増幅器と、
    　前記受光素子から前記増幅器に至る入力電路に接続され、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去する直流調整回路と、
    　前記入力電路に接続され、前記入力電流の一部を流す交流調整回路と、
    　前記増幅器の出力及び参照電圧に基づいて、前記直流調整回路及び前記交流調整回路を制御する制御部と、を備え、
    　前記制御部は、
    　前記増幅器の出力を積分し、正相及び逆相の２電路に出力する積分器と、
    　前記積分器の出力の逆相電位が正相電位より高いとき、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜くよう動作する反転抑制回路と、を含む光受信装置。
  2. 　前記反転抑制回路が注入する電流と引き抜く電流とは、互いに等量である請求項１に記載の光受信装置。
  3. 　前記反転抑制回路は、
    　前記積分器の出力する、前記正相と前記逆相との電位差に基づく電圧を電流に変換して出力するトランスコンダクタンスアンプと、
    　前記トランスコンダクタンスアンプの出力に基づいて、前記正相に注入する電流と前記逆相から引き抜く電流とを生成するカレントミラー回路と、
    　を含む、請求項１又は請求項２に記載の光受信装置。
  4. 　前記参照電圧には負のオフセット電圧が追加される請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光受信装置。
  5. 　前記正相電位が前記逆相電位より高いとき、前記反転抑制回路は、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜く、という動作を実行しない請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光受信装置。
  6. 　光ファイバによる光伝送路を介して複数の端末装置と接続される局側装置であって、
    　前記端末装置からバースト状の光信号を受ける受光素子と、
    　前記受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅する増幅器と、
    　前記受光素子から前記増幅器に至る入力電路に接続され、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去する直流調整回路と、
    　前記入力電路に接続され、前記入力電流の一部を流す交流調整回路と、
    　前記増幅器の出力及び参照電圧に基づいて、前記直流調整回路及び前記交流調整回路を制御する制御部と、を備え、
    　前記制御部は、
    　前記増幅器の出力を積分し、正相及び逆相の２電路に出力する積分器と、
    　前記積分器の出力の逆相電位が正相電位より高いとき、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜くよう動作する反転抑制回路と、を含む局側装置。
  7. 　複数の端末装置と、
    　光ファイバによる光伝送路と、
    　前記光伝送路を介して前記複数の端末装置と通信する局側装置と、を備えているＰＯＮシステムであって、
    　前記端末装置及び前記局側装置のうち、少なくとも前記局側装置に搭載される光受信装置は、
    　前記端末装置からバースト状の光信号を受ける受光素子と、
    　前記受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅する増幅器と、
    　前記受光素子から前記増幅器に至る入力電路に接続され、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去する直流調整回路と、
    　前記入力電路に接続され、前記入力電流の一部を流す交流調整回路と、
    　前記増幅器の出力及び参照電圧に基づいて、前記直流調整回路及び前記交流調整回路を制御する制御部と、を備え、
    　前記制御部は、
    　前記増幅器の出力を積分し、正相及び逆相の２電路に出力する積分器と、
    　前記積分器の出力の逆相電位が正相電位より高いとき、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜くよう動作する反転抑制回路と、を含むＰＯＮシステム。
  8. 　バースト状の光信号を受ける受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅する増幅器と、
    　前記受光素子から前記増幅器に至る入力電路に接続され、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去する直流調整回路と、
    　前記入力電路に接続され、前記入力電流の一部を流す交流調整回路と、
    　前記増幅器の出力及び参照電圧に基づいて、前記直流調整回路及び前記交流調整回路を制御する制御部と、を備え、
    　前記制御部は、
    　前記増幅器の出力を積分し、正相及び逆相の２電路に出力する積分器と、
    　前記積分器の出力の逆相電位が正相電位より高いとき、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜くよう動作する反転抑制回路と、を含む前置増幅器。
  9. 　バースト状の光信号を受信する光受信方法であって、前置増幅の段階において、
    　前記光信号を受ける受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅器により増幅し、
    　前記増幅器の出力及び参照電圧に基づいて、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去するとともに、前記入力電流の一部を逃がし、
    　前記増幅器の出力を積分器により積分して、正相及び逆相の２電路に出力し、当該２電路への出力の逆相電位が正相電位より高いときは、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜く、
    　光受信方法。
  10. 　光受信用の前置増幅器における積分器の出力反転抑制方法であって、
    　バースト状の光信号を受ける受光素子からの入力電流に基づく電流を受け取って増幅し、
    　増幅して得た出力及び参照電圧に基づいて、前記入力電流に含まれるオフセットの電流を除去するとともに、前記入力電流の一部を逃がし、
    　前記出力を前記積分器により積分して、正相及び逆相の２電路に出力し、当該２電路への出力の逆相電位が正相電位より高いときは、前記正相に電流を注入し、かつ、前記逆相から電流を引き抜く、
    　積分器の出力反転抑制方法。
     
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